零件可靠性设计(6)

1、 l “短板效应” 整机的可靠性往往取决于最薄弱环节l 静强度问题 屈服、失稳、塑性变形、断裂l 时间有关 疲劳问题、磨损问题、老化问题、腐蚀问题l 典型零部件的概率设计是人们设计经验的一个总结考虑零部件的特点 结合了失效模式和失效原因1、轴的概率设计分析l 轴的分类按形状：直轴、阶梯轴、曲轴按载荷：传动轴(扭矩)、心轴（弯）、转轴（弯扭）l 轴的主要失效模式屈服失效疲劳断裂变形超过允许值磨损腐蚀 扭振1、轴的概率设计分析 轴可靠性的主要影响因素n扭矩 主要对长轴的强度可靠性影响比较大n转速 影响轴系的振动，易发生共振问题，进而使轴发生变形和异常磨损n弯矩 短轴强度可靠性的主要影响因素n半径

2、影响轴的强度和刚度可靠性的重要因素n倒角 主要影响轴的应力集中系数1.1 传动轴的概率设计扭转剪切应力 扭转变形量 GdMlGIMlp432传动轴的长度波松比弹性模量剪切弹性模量，lEEGG)1 (2不同的失效判据，建立不同的功能函数316dMWMSTTT(1) 传动轴应力的计算公式1.1 传动轴的概率设计常用国产机械材料剪切疲劳强度极限（光滑试样）材 料-1/MPa材 料-1/MPa45（正火）167.940Cr(调质)296.945（调质）200.340CrNiMo(调质)407.9标准差的确定:(1)查手册(2)3准则(3)统计试验性能参数变异系数金属抗拉强度0.05(0.05-0.10

3、)金属屈服强度0.07（0.05-0.10）金属疲劳极限0.08（0.05-0.10），试验确定焊接结构疲劳极限0.1（0.05-0.15）金属的断裂韧性0.07（0.05-0.13）(2) 传动轴强度的确定1.1 传动轴的概率设计n屈服失效n变形过大n疲劳失效3TT161dMSZT剪切应力剪切静强度GdMlZ4322变形量许用变形量316)()(3dMNSNZT剪切应力剪切疲劳强度(3)根据失效模式失效判据建立功能函数1.1 传动轴的概率设计 其他影响因素随机性的确定n均值，采用名义值n标准差 圆形、矩形、方形截面影响载荷扭矩影响疲劳强度材料热处理影响应力集中倒角影响疲劳强度表面处理半径传动

4、轴的长度波松比弹性模量剪切弹性模量，dlEEGG)1 (2 找出或建立量化关系1.2 弯轴、转轴的概率设计弯曲应力 弯曲变形 332dMSnEIlMEIMlynsn316max2maxl 应力、强度的计算公式不同l 失效准则不同屈服失效变形过大疲劳失效与传动轴类似2、齿轮的概率设计分析l 齿轮的分类2、齿轮的概率设计分析l 齿轮的主要失效模式轮齿折断：疲劳、过载、随机磨损：摩擦、磨粒、腐蚀齿面接触疲劳：点蚀、剥落齿面胶合：热胶合、冷胶合齿面塑性变形2、齿轮的概率设计分析n 齿根弯曲疲劳强度失效判据n 齿面接触疲劳强度失效判据)(FFSFFSPRZ2.1 渐开线圆柱齿轮的概率设计)(HHSHHS

5、PRZ2、齿轮的概率设计分析FFVAFSnFKKKKYYnbdmP31095492重合度与螺旋角系数齿形系数齿间载荷分析系数齿向载荷分配系数动载系数使用系数YYKKKKFSFFVA齿根弯曲应力的计算公式齿根弯曲强度的计算公式minFFXRrelrelNEFSSYYYY螺旋角传递的功率齿宽转速齿数法面模数Pbnzmn数弯曲强度最小安全系尺寸系数表面状况系数齿根圆角敏感系数寿命系数本值齿轮材料弯曲强度基limFFXRrelrelNESYYYY2、齿轮的概率设计分析、齿轮的概率设计分析复合齿形系数寿命系数尺寸系数2、齿轮的概率设计分析l 弯曲疲劳强度失效的功能函数FFVAFSnXRrelrelNEF

6、FSKKKKYYnbdmPYYYYZ3F10954921 简化计算时，可选定P、n、KA、KV、b、FE6个基本参量作为随机变量，其它基本参量按常量对待。2、齿轮的概率设计分析HHVAEHHKKKKuunbdPZZZ1109549223齿面接触应力的计算公式齿面接触强度的计算公式minlimHXWLVRNHHSSZZZZ齿面接触疲劳强度失效的功能函数HHVAEHXWLVRNHHHSKKKKuunbdPZZZZZZZZ11095492223lim 简化计算时，可选定P、n、KA、KV、b、Hlim6个基本参量作为随机变量，其它基本参量按常量对待。l 接触疲劳强度失效的功能函数3、螺栓的概率设计分

7、析l 螺栓的主要失效模式剪断或挤压变形拉断、塑性变形、疲劳破坏3、螺栓的概率设计分析ndFj24受剪时的剪应力计算公式 受轴向载荷时的计算公式 214dFAFgFCCCFF211212(1) 螺栓应力的计算公式3、螺栓的概率设计分析(2) 螺栓强度的确定屈服极限，疲劳极限等，查阅相关手册(3) 功能函数静强度，利用应力的计算公式建立交变载荷作用下的螺栓，应按照疲劳可靠性理论具体的失效模式和失效判据建立4、弹簧的概率设计分析、弹簧的概率设计分析l 按受载分类压缩弹簧拉伸弹簧扭转弹簧弯曲弹簧l 按形状分螺旋钢板弹簧蝶形弹簧4、弹簧的概率设计分析、弹簧的概率设计分析l 弹簧的主要失效模式过量塑性变形

8、（拉伸弹簧的簧丝/钩环）疲劳断裂屈曲失效静拉伸断裂（扭转螺旋弹簧）共振失效（承受高频载荷）4、弹簧的概率设计分析、弹簧的概率设计分析4.1 螺旋弹簧(1)剪切疲劳强度：剪切疲劳强度大于循环应力(2)剪切静强度：剪切屈服极限s大于最大剪应力max(3)屈曲：屈曲临界载荷Pn大于最大工作载荷Pmax (4)抗共振：弹簧的最大工作频率与固有频率 之比不落在区间（a，b）范围内)( PR)(maxsPR)(maxPPPRn)()(baPR4、弹簧的概率设计分析、弹簧的概率设计分析(1)螺旋弹簧应力/应变的计算l 公式法l 有限元法)615. 04414(83CCCdFD4、弹簧的概率设计分析、弹簧的概

9、率设计分析(2)螺旋弹簧强度的确定载荷循环次数N104105106107N0.45b0.35b0.33b0.3b弹簧材料的疲劳极限 弹簧材料的剪切强度极限 4、弹簧的概率设计分析、弹簧的概率设计分析 实例： 某复位簧为圆柱螺旋压缩弹簧，材料为60Si2MnA，为油淬回火的钢丝。弹簧刚度k=15.3N/mm，弹簧中径=20mm，钢丝直径=3.5mm，有效圈数n=12，最大轴向压缩载荷Pmax=417.7N，载荷性质为II组。簧丝剪切屈服极限为686MPa 4、弹簧的概率设计分析、弹簧的概率设计分析随机变量说明分布类型均值标准差D弹簧中径正态200.01d簧丝直径正态3.50.002Pmax最大载

10、荷正态417.710剪切屈服极限正态68648最大剪切应力公式法计算-)615. 04414(83maxCCCdDPZ主要参数的分布参数剪切屈服的功能函数4、弹簧的概率设计分析、弹簧的概率设计分析l 剪切屈服可靠度计算结果：R=0.912寿命 (次)3000100001000005000001000000500000010000000可靠度R1.01.00.999920.999790.999750.998770.997674、弹簧的概率设计分析、弹簧的概率设计分析4.2 钢板弹簧l 主要失效模式钢板疲劳断裂 疲劳强度判据少数静强度失效 静强度判据4、弹簧的概率设计分析、弹簧的概率设计分析(1) 钢板弹簧应力的计算n展开法n板端法n有限元法4、弹簧的概率设计分析、弹簧的概率设计分析牌号热处理机械性能淬火温度冷却剂回火温度屈服极限强度极限55Si2Mn870C油480 C1200MPa1300MPa55Si2MnVB860C油460 C1250MPa1400MPa60Si2Mn870C油480 C1200MPa1300MPa60Si2MnA870C油480 C1400 MPa1600MPa(2) 钢板弹簧强度的确定注：疲劳强度应该按照疲劳理论确定常用钢板弹簧材料的强度极限4、弹簧的概率设计分析、弹簧的概率设计分析4.3 蝶形弹簧变刚度特性垫圈、离合器压力、压